发酵工程的灭菌与除菌1

灭菌与除菌当前第1页\共有124页\编于星期五\18点本章主要内容

第一节染菌的危害第二节灭菌和除菌的基本原理第三节培养基和发酵设备的灭菌第四节空气除菌当前第2页\共有124页\编于星期五\18点第一节

染菌的危害杂菌污染会产生哪些不良后果？为防止杂菌污染应采取哪些措施？当前第3页\共有124页\编于星期五\18点第二节

灭菌和除菌的基本原理当前第4页\共有124页\编于星期五\18点第一节灭菌和除菌的基本原理一、常用灭菌方法当前第5页\共有124页\编于星期五\18点第一节灭菌和除菌的基本原理灭菌：是利用物理或化学的方法杀灭或去除物料或设备中所有的有生命的有机体的技术或工艺过程。消毒：是采用较温和的理化方法，仅杀死对人体有害的病原微生物的过程。(消毒只能杀死营养细胞而不能杀死芽孢或孢子。)除菌：是指用过滤方法除去空气或液体中所有的微生物及其孢子。当前第6页\共有124页\编于星期五\18点第一节灭菌和除菌的基本原理防腐：就是利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止食品等发生霉腐的措施。如：低温，缺氧，干燥，高渗，高酸度，防腐剂。化疗即化学治疗：是利用具有高度选择毒力（即对病原微生物具有高度毒力而对宿主无显著毒性）的化学物质来抑制宿主体内病原微生物的生长繁殖，借以达到治疗该传染病的一种措施。当前第7页\共有124页\编于星期五\18点灭菌和除菌的基本原理发酵工业生产中常用的灭菌方法：化学物质灭菌、热灭菌辐射灭菌过滤介质除菌臭氧（O3）灭菌

当前第8页\共有124页\编于星期五\18点干热灭菌法火焰灼烧法热空气灭菌法湿热灭菌法常压灭菌高压灭菌巴氏消毒法煮沸消毒法间歇灭菌法高压—121℃

15min；低压—105℃

30min。当前第9页\共有124页\编于星期五\18点二、高温湿热灭菌高温湿热灭菌是利用饱和蒸汽直接接触需要灭菌的物品以杀死微生物。湿热灭菌法是目前最常用的基本灭菌方法，一般的湿热灭菌条件为121℃(表压约0.1MPa)，维持20~30min。当前第10页\共有124页\编于星期五\18点湿热灭菌优点：①蒸汽来源方便，操作简单，价格低廉，本身无毒；②蒸汽有强的穿透力(能杀死耐热的芽孢杆菌)和很大的潜热，灭菌效果可靠；因此被广泛用于工业生产。当前第11页\共有124页\编于星期五\18点杂菌的名称溫度/℃最低最适最高嗜热芽孢杆菌526575枯草芽孢杆菌1530~3755大肠杆菌1030~3743酵母菌0.525~3040

几种杂菌适应温度范围当前第12页\共有124页\编于星期五\18点能够杀死微生物的温度称为致死温度。第一节灭菌和除菌的基本原理

几种杂菌致死温度范围杂菌名称致死溫度/℃致死时间/min嗜热芽孢杆菌12012枯草芽孢杆菌1006~17大肠杆菌6010肺炎球菌565~7酵母菌50~605~1013当前第13页\共有124页\编于星期五\18点在致死温度下杀死全部微生物所需要的时间称为致死时间。不同的微生物的致死温度和致死时间也有差别。一般无芽孢的营养菌体在60℃保温l0min即可全部被杀死，而芽孢在100%下保温数十分钟乃至数小时才能被杀死，某些嗜热细菌在121℃下可耐受20-30min。当前第14页\共有124页\编于星期五\18点热阻：指微生物在某一种特定条件下（主要指温度和加热方式）的致死时间。一般来说，灭菌是否彻底，是以能否杀死热阻大的芽孢杆菌为指标。相对热阻：是指某一微生物在某一条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间之比。当前第15页\共有124页\编于星期五\18点灭菌方式大肠杆菌细菌或酵母营养细胞细菌芽胞霉菌孢子噬菌体和病毒干热1110002~101湿热113×1062~101~5苯酚1110×1081~230甲醛112502~102紫外线112~55~1005~1016当前第16页\共有124页\编于星期五\18点三、干热灭菌是指在干燥高温条件下，微生物细胞内的各种与温度有关的氧化反应速度迅速增加，使微生物的致死率迅速增高的过程。常用灭菌条件：160℃下保温1~2h。当前第17页\共有124页\编于星期五\18点四、辐射灭菌辐射灭菌是利用高能量的电磁辐射和微粒辐射来杀灭微生物。α射线、X射线、β射线、γ射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。

X射线的穿透力极强，但不经济，并且向四面八方辐射，不适于发酵生产使用。当前第18页\共有124页\编于星期五\18点紫外线波长为2100~3100Å的紫外线有灭菌作用，最常用的波长2537Å的紫外线。主要是与菌体核酸发生光化学反应而造成菌体死亡。紫外线对微生物菌体和芽胞均有杀灭作用，有高度致死效果。但紫外线的穿透力很低，仅适用于表面和局部空间灭菌，如台面、洁净室、更衣室等。现在，紫外线常与HVAC相结合用于气相循环消毒。HVAC是Heating,VentilationandAirConditioning的英文缩写，就是空气调节系统，是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统。当前第19页\共有124页\编于星期五\18点五、化学物质灭菌原理：某些化学药剂能与微生物细胞中的某种成分产生化学反应，如使蛋白质变性、酶类失活、破坏细胞膜透性而具有杀菌或消毒的作用。常用的化学药剂：甲醛、氯(或次氯酸钠)、高锰酸钾、环氧乙烷、苯酚、季氨盐(如新洁尔灭)、氯化汞等。适用情况：①培养基里含有蛋白质等营养物质亦易与上述化学物质发生化学反应，②同时药物加入培养基之后很难除掉。适合于局部空间或某些器具的消毒，但不适合用于培养基的灭菌。当前第20页\共有124页\编于星期五\18点六、静电除菌

静电除菌是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。21当前第21页\共有124页\编于星期五\18点空气进空气出钢丝电晕电极钢管沉淀电极—++当前第22页\共有124页\编于星期五\18点优点：阻力小，约0.01MPa；除水、除油的效果好耗电少，每处理1000m3的空气每小时仅耗电0.2~0.8KW。缺点：

静电除菌效果不是很高，一般在85~99%之间。当前第23页\共有124页\编于星期五\18点七、臭氧（O3）灭菌

臭氧是一种强氧化剂，灭菌过程属生物化学氧化反应。原理是：臭氧在常温、常压下分子结构不稳定，很快自行分解成氧气（O2）和单个氧原子（O）；后者具有极强的氧化作用，能氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的酶，从而破坏其细胞膜，将它杀死；直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢受阻，导致细菌死亡；作用于细胞外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。当前第24页\共有124页\编于星期五\18点我国在GMP验证过程中人们大力推荐臭氧灭菌方法。臭氧灭菌有许多特点：

O3为气体，能迅速弥漫到整个灭菌空间，灭菌无死角，浓度分布均匀。臭氧灭菌为溶菌级方法，杀菌彻底。杀菌能力与过氧乙酸相当，高于其它消毒剂。杀菌广谱，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，并可破坏肉毒杆菌毒素。另外，O3对霉菌也有极强的杀灭作用。臭氧制备是利用我们周围的大气制取(现有成型产品：臭氧发生器），现制现用，不需储藏设施，节省原料储储所需的占地面积。臭氧分解形成的单个氧原子（O）则会自行重新结合成为普通氧分子（O2），不存在任何有毒残留物，没有二次污染，故称无污染消毒剂(绿色消毒剂)。当前第25页\共有124页\编于星期五\18点臭氧灭菌在药品生产中具有广泛的用途。①对管道容器的灭菌；②与HVAC相结合，利用中央空调净化系统对洁净区的灭菌；③对原辅助材料和工作器具的灭菌；④对密闭空间的灭菌；⑤对药厂用水的灭菌处理。当前第26页\共有124页\编于星期五\18点八、介质过滤除菌

工业上主要用于热敏性物质(氨水、丙醇等)和空气的除菌。按过滤除菌机制不同而分为绝对过滤深层过滤当前第27页\共有124页\编于星期五\18点1、绝对过滤绝对过滤最常用的过滤材料是微孔滤膜。选择孔径为0.2μm或0.45μm的滤膜就可达到除菌的目的。对动物细胞血清培养基选用0.1μm孔径的滤膜来除去支原体的污染。滤膜材料可以是醋酸纤维素、尼龙、聚醚砜、聚丙烯等。绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便。

当前第28页\共有124页\编于星期五\18点2、深层过滤（介质过滤）空气中的微生物大多数是细菌和芽孢，还有一定数量的霉菌、酵母和病毒。细菌的大小为零点几微米至几微米，这些微生物在空气中极少单独游离存在，基本都是附着在灰尘、液滴等微粒的表面上。当前第29页\共有124页\编于星期五\18点微生物细胞：宽×长/μm孢子：宽×长/μm产气杆菌1.0~1.5×1.0~2.5蜡状芽孢杆菌1.3~2.0×8.1~25.8普通变形杆菌0.5~1.0×1.0~3.0地衣芽孢杆菌0.5~0.7×1.8~3.3巨大芽孢杆菌0.9~2.1×2.0~10.00.6~1.2×0.9~1.7蕈状芽孢杆菌0.6~1.6×1.6~13.6枯草芽孢杆菌0.5~1.1×1.6~4.80.5~1.0×0.9~1.8金黄色小球菌0.5~1.0×0.5~1.0酵母菌3.0~5.0×5.0~19.0病毒0.0015~0.225×0.0015~0.28霉状分枝杆菌0.6~1.6×1.6~13.60.8~1.2×0.8~1.830当前第30页\共有124页\编于星期五\18点介质过滤除菌的原理与绝对过滤除菌的原理是不同的，介质过滤介质间的空隙往往远大于颗粒直径。如棉花纤维直径一般为16~20μm，充填系数为8%时，棉花纤维间形成的空隙为20~50μm。球菌的直径一般在0.5~2μm，杆菌一般长1-5μm，宽0.5~lμm。当前第31页\共有124页\编于星期五\18点

因为过滤介质层是由无数的纤维纵横交错组成的，形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次地改变运动速度和运动方向，这些改变引起空气中微粒的惯性冲击、拦截、扩散、重力沉降和静电吸附等作用，于是大大增加了微粒被纤维捕获的几率。32当前第32页\共有124页\编于星期五\18点(1)惯性冲击截留作用：撞上去被吸附；

这种惯性冲击作用的程度取决于微粒的动能、纤维阻力、气流速度。惯性冲击作用的强弱与气流流速成正比，空气流速大时，惯性冲击就起主导作用。当前第33页\共有124页\编于星期五\18点(2)拦截截留作用：速度太慢动能不足被吸附；

当气流速度较低时，微粒的运动轨迹与空气流线相似。气流改变力向时，微粒的流向随之改变，与纤维表面接触时就被捕集，这种作用叫拦截。θ<90o当前第34页\共有124页\编于星期五\18点(3)布朗扩散截留作用：不规则运动增强了接触机会；直径很小(＜1μm)的微粒在很慢的气流中能产生不规则的直线运动称为布朗运动。结果使较小的微粒聚集成为较大的微粒，增加了与纤维接触的机会，当与纤维接触时就被捕集，这种作用叫做扩散。当前第35页\共有124页\编于星期五\18点(4)重力沉降作用：对大颗粒有效；

空气中的灰尘微粒所受的重力大于气流对它的支持力时，微粒就会沉降。

直径50μm以上的颗粒沉降作用比较显著，小颗粒只有在气流速度很慢时才有沉降作用。当前第36页\共有124页\编于星期五\18点(5)静电吸引作用：异性相吸。

空气在非导体物质中间进行相对运动时，由于摩擦会产生诱导电荷，特别是纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物颗粒大多带有不同的电荷。有人曾测定，大肠埃希菌、枯草芽孢杆菌约有75%的孢子带负电荷，15%的孢子带正电荷，其余10%的孢子是电中性的。当前第37页\共有124页\编于星期五\18点

在过滤除菌中，有时很难分辨上述各种机理各自所做出贡献的大小，多是五种作用的综合结果。随着参数的变化，各种作用之间有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。

一般认为惯性冲击、拦截和布朗扩散运动的作用较大，而重力沉降作用和静电吸引的作用则很小。VcVc当前第38页\共有124页\编于星期五\18点

空气过滤后的微粒数与过滤前的微粒数的比值称为穿透率P，则

P=——式中N0—过滤前空气中的微粒含量(个)；

Nt—过滤后空气中的微粒含量(个)。介质过滤效率η是指被捕集的微粒数与空气中原有的微粒数的比值，是衡量过滤设备过滤能力的指标。

η=———=1-——=1-PNtN0N0-NtN0NtN0当前第39页\共有124页\编于星期五\18点1）纤维直径：在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。2）介质的填充厚度与密度：对于相同的介质，填充厚度和密度越大则过滤效率越高，但同时流速也越小。3）空气流速：在空气流速很低时，过滤效率随气流速度增加而降低；当气流速度增加到临界值后，过滤效率随气流速度增加而提高；气流速度高达一定值后，过滤效率再降低，所以要通过实验方法来摸索最适流速。当前第40页\共有124页\编于星期五\18点培养基的灭菌1.分批灭菌2.连续灭菌发酵罐的灭菌1.空消2.实消物料管路的灭菌倒种管路的灭菌补料液的灭菌消沫剂的灭菌第二节培养基和发酵设备的灭菌当前第41页\共有124页\编于星期五\18点一、温度和时间对培养基灭菌的影响

用湿热灭菌方法对培养基灭菌，在杀灭微生物的同时，也会对营养成分造成破坏。在高压加热的条件下，会使糖液焦化变色、维生素失活、醛糖与氨基化合物反应、不饱和醛聚合、一些化合物水解等。灭菌温度（˚C）达到灭菌程度的时间（min）维生素B1的损失（%）100110120130140150843757.60.8510.1070.01599.9989271031一、温度和时间对培养基灭菌的影响嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死亡程度为N/N0=10-16时，灭菌温度对维生素B1破坏的影响42当前第42页\共有124页\编于星期五\18点灭菌温度、灭菌时间和维生素B1破坏量的比较

灭菌温度/℃灭菌时间/minB1破坏量/%10040099.3110306711515501204271300.581400.0821500.01<143当前第43页\共有124页\编于星期五\18点二、影响培养基灭菌的其它因素1、培养基成分

在固形物含量高的情况下，灭菌温度要高些。培养基成分对大肠杆菌灭菌影响环境水10%糖液30%糖液致死60~65℃，10min70℃，4~6min70℃，30min44当前第44页\共有124页\编于星期五\18点2、培养基的pH值温度孢子数灭菌时间(min)(℃)(个/ml)pH=6.15.35.04.74.5120100008753311510000252516131311010000706535302410010000740720180150150当前第45页\共有124页\编于星期五\18点3、培养基的物理状态培养基的物理状态对灭菌有极大的影响。

固体培养基的灭菌时间要比液体培养基的灭菌时间长，如果100℃时液体培养基的灭菌时间为1h，固体培养基则需要2~3h才能达到同样的灭菌效果。越浓稠的培养基灭菌所需时间越长。当前第46页\共有124页\编于星期五\18点4、泡沫泡沫中的空气会形成隔热层，使传热困难，对灭菌极为不利。对易产生泡沫的培养基进行灭菌时，可加入少量消泡剂。5、培养基中的微生物性质与数量不同成分的培养基中含菌性质与量是不同的。培养基中微生物数量越多，达到无菌要求所需的灭菌时间也越长。天然基质培养基，特别是营养丰富或变质的原料中的含菌量远比化工原料的含菌量多，因此灭菌时间要适当延长。当前第47页\共有124页\编于星期五\18点6、冷空气排除情况高压蒸汽灭菌的关键问题是为热的传导提供良好条件，而其中最重要的是使冷空气从灭菌器中顺利排出。因为冷空气导热性差，阻碍蒸汽接触欲灭菌物品。当前第48页\共有124页\编于星期五\18点工业生产中对于大量的培养基和发酵设备的灭菌，最有效、最常用的方法是蒸汽灭菌(即湿热灭菌)。培养基的灭菌包括分批灭菌：将配制好的培养基输入发酵罐内，经过间接蒸汽预热，然后直接通入饱和蒸汽加热，使培养基和设备一起灭菌，达到要求的温度和压力后维持一定时间，再冷却至发酵要求的温度，这一工艺过程称为分批灭菌或实罐灭菌。全程包括加热、维持、冷却三个过程。三、培养基分批灭菌分批灭菌连续灭菌当前第49页\共有124页\编于星期五\18点加热：包括预热和升温。预热：培养基在搅拌状态下，排放夹套或蛇管中的冷水，开启排气管阀，在夹套或蛇管内缓慢通入蒸汽以预热料液，当发酵罐的温度预热至80~90℃，关闭夹套或蛇管蒸汽阀门。作用：使物料糊化、溶胀并均匀受热；减少冷凝水的生成；减轻蒸汽流冲击发酵液产生的噪音。当前第50页\共有124页\编于星期五\18点升温：培养基加热至90℃，关闭夹套或蛇管蒸汽阀门后，由空气进口取样管放料管通入蒸汽对培养基直接加热。开启排气管阀进料管(补料管)接种管排气阀消泡剂管排气。液面当前第51页\共有124页\编于星期五\18点保温：当发酵罐内温度升至110℃左右，控制进出蒸汽阀门直至温度达121℃、压力为0.1MPa时，开始保温。在保温阶段，凡开口在培养基液面以下各管道都应通蒸汽，开口在培养基液面以上的各管道则应排蒸汽，与罐相连通的管道均应遵循蒸汽“不进则出”的原则，才能保证灭菌彻底，不留死角；各路蒸汽进入要均匀畅通，防止短路逆流；罐内液体翻动要激烈；各路排气也要畅通，但排气量不宜过大，以节约蒸汽；维持压力、温度恒定直到保温结束。当前第52页\共有124页\编于星期五\18点冷却降温：为了减少营养成分的破坏，多采用快速冷却方式。保温到时间后，依次关闭各排汽、进汽阀；待罐内压力降至0.05MPa左右(注意罐压必须低于空气过滤器压力)时，迅速向罐内通入无菌空气，以维持发酵罐降温过程中的正压；开启冷却系统，向夹套或蛇管中通入冷水，使培养基快速降至所需温度。当前第53页\共有124页\编于星期五\18点实罐灭菌主要是在保温阶段起作用，在升温阶段后期也有一定的灭菌作用。灭菌时，蒸汽总管道压力要求不低于0.3MPa，使用压力(通入罐中的蒸汽压力)不低于0.2MPa。加热冷却维持当前第54页\共有124页\编于星期五\18点优点设备要求低，不需要附加专门的加热和冷却设备，投资少；操作简便，灭菌效果可靠；对蒸汽的要求较低，一般0.2-0.3MPa即可满足要求。缺点加热和冷却时间较长，营养成分有一定的损失；罐利用率低；不能采用高温快速灭菌工艺；在灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大；冷却水用量大。培养基分批灭菌的优、缺点：当前第55页\共有124页\编于星期五\18点培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续加热灭菌，冷却后送入已灭菌的发酵罐内，这种工艺过程称为连续灭菌。连续灭菌工艺的优点是：可采用高温快速灭菌方法，营养成分破坏少；组成培养基的耐热性物料和不耐热性物料可分开在不同温度下灭菌，以减少物料的破坏；也可将糖和氮源分开灭菌，以免醛基与氨基发生反应，防止有害物质生成；发酵罐非生产占用时间短，容积利用率高；热能利用合理，适合自动化控制；蒸汽用量平稳。四、培养基连续灭菌当前第56页\共有124页\编于星期五\18点缺点是：蒸汽压力一般要求高于0.5MPa；不适用于黏度大或固形物含量高的培养基的灭菌；需增加一套连续灭菌设备，投资较大；增多了操作环节，增加了染菌的几率。当前第57页\共有124页\编于星期五\18点1、连续灭菌(工艺/设备)流程

配料输料加热保温冷却灭菌的发酵罐预热当前第58页\共有124页\编于星期五\18点第一种：连消一喷淋冷却连续灭菌流程

40-50℃132℃，20~30″维持5~7分钟预热至60-70℃配料罐当前第59页\共有124页\编于星期五\18点常用输料泵旋涡泵往复泵螺杆泵当前第60页\共有124页\编于星期五\18点132℃，20~30″预热至60-70℃配料罐当前第61页\共有124页\编于星期五\18点套管式连消塔培养基由塔外管下部侧面进入，在两管间向上流动，被内管喷出蒸汽加热到126~132℃，再由外管上部侧面流出，进入维持罐。培养液流动线速度要小于0.1m/s；在管内逗留时间为15~20秒，塔高10m左右。蒸汽当前第62页\共有124页\编于星期五\18点喷嘴式连消塔料液进口63当前第63页\共有124页\编于星期五\18点汽液混合式连消塔当前第64页\共有124页\编于星期五\18点(3)保温由于加热器加热时间较短，光靠这段时间灭菌是不够的，维持罐的作用是使料液在灭菌温度下保持5~7min，以达到灭菌目的。压力一般保持0.4Mpa。当前第65页\共有124页\编于星期五\18点(4)冷却当前第66页\共有124页\编于星期五\18点冷却培养基送入发酵罐配料罐热交换器40-50℃132℃20-30″60-75℃5-8min当前第67页\共有124页\编于星期五\18点第二种喷射加热一真空冷却连续灭菌流程

真空闪急冷却器维持管道喷射加热器灭菌培养基未灭菌培养基优点：此流程由于受热时间短，不致引起培养基营养成分的严重破坏；维持管能保证先进入的培养基先输出，避免过热或灭菌不彻底的现象。缺点是随着蒸汽的冷凝使培养基稀释，由于培养基黏度的变化，使灭菌温度和压力的控制受到影响；如维持时间较长，维持管的长度就需要很长，安装使用不便。当前第68页\共有124页\编于星期五\18点喷射加热器1喷嘴,2吸入口,3吸入室,4混合喷嘴，5混合段，6扩大管当前第69页\共有124页\编于星期五\18点20℃31℃35℃100℃140℃120~132℃35℃55℃55℃120℃120℃第三种板式换热器连续灭菌流程热回收器加热器维持管道冷却器当前第70页\共有124页\编于星期五\18点热交换器板式螺旋板式螺旋板式连续灭菌系统当前第71页\共有124页\编于星期五\18点板式冷却器当前第72页\共有124页\编于星期五\18点冷液热液冷液变热热液变冷当前第73页\共有124页\编于星期五\18点第三节

空气除菌当前第74页\共有124页\编于星期五\18点一、空气除菌的必要性1.空气的构成氧气氮气惰性气体二氧化碳水蒸气气态物质的混合物悬浮在空气中的尘粒构成地壳的无机物质颗粒烟灰植物花粉种类繁多的细菌和其他微生物空气当前第75页\共有124页\编于星期五\18点2.空气中微生物的数量与环境有密切关系空气中的含菌量和种类一般干燥、寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多，一般城市空气中杂菌数为103~104个／m3

；地面又比高空的空气含菌量多，离地面越高，含菌量越少；一般每升高3.05米，空气中的含菌量就降低一个数量级。各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，以细菌和细菌芽胞为主，也有酵母、霉菌和病毒，数量也随条件的变化而异。当前第76页\共有124页\编于星期五\18点空气中的尘埃数与细菌数的关系如下式：式中y：空气中的微生物数量，个/m3；

x：空气中的尘埃颗粒数量，个/m3。所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1μm）。当前第77页\共有124页\编于星期五\18点3.空气除菌的必要性绝大多数工业发酵均是利用好氧微生物进行纯种培养，无论是生长还是合成代谢产物都需要消耗大量的溶解氧，用于基质同化、菌体生长和产物代谢。这些氧气的来源是空气，但空气中含有各种各样的微生物，它们一旦随空气进入发酵液，便会染菌，空气除菌不彻底是发酵染菌的主要原因之一。例如，一个通气量为40m3/min的发酵罐，一天所需的空气量高达5.75×104m3，假如空气中含菌量为103~104/m3，那么一天将有5.9×106个微生物细胞进入发酵罐。当前第78页\共有124页\编于星期五\18点空气除菌的方法很多，如过滤除菌、热杀菌、静电除菌、辐射杀菌等，各种除菌方法的除菌效果、设备条件、经济指标各不相同。实际生产中所需的除菌程度要根据发酵工艺而定，既要避免染菌，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。如酵母培养所用的培养基成分以糖为主，酵母菌能利用无机氮，要求的pH较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不十分严格，可采用高压离心式鼓风机通风即可。氨基酸、抗生素的生产菌等，发酵周期长，耗氧量大，无菌程度要求也严格，无菌，无灰尘，无杂质，无水，并要求有一定的温度和压力，空气必须经过严格的脱水、脱油和过滤除菌处理后才能通入发酵罐。当前第79页\共有124页\编于星期五\18点二、发酵用无菌空气的概念和质量标准为确保生产在纯种培养状态下进行，严格无菌条件下发酵用无菌空气的质量标准要求如下：连续提供，保持一定流量；保证发酵罐0.1-2.0VVM的需气量；保持一定的压强；表压达到0.2~0.4MPa。空气的相对湿度在进入发酵罐之前≤70%。进罐前的空气温度要比培养温度略高或相同。洁净度达到N=10-3

；当前第80页\共有124页\编于星期五\18点三、空气过滤除菌流程当前第81页\共有124页\编于星期五\18点三、空气过滤除菌流程1、高空采气一般认为，高度每上升3.05m，空气中微生物量下降一个数量级，因此，空气吸入口一般都选在上风口比较洁净处，高度一般在10m左右，设计流速8m/s。

当前第82页\共有124页\编于星期五\18点2、前过滤从大气中吸入的空气常带有灰尘、沙土、细菌等，在进入空气压缩机前要先经过前过滤器，滤去灰尘、沙土等固体颗粒，以减少往复式空气压缩机活塞和气缸的磨损，延长空气压缩机的使用寿命，保证空气压缩机的效率，要求过滤效率高，阻力小，容灰量大，否则会增加压缩机的吸人负荷和降低压缩机的排气量。当前第83页\共有124页\编于星期五\18点布袋过滤：结构最简单，只要将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架上，并缝紧所有会造成短路的空隙。其过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布结构情况和过滤面积而定。布袋过滤器填料过滤器油浴洗涤装置水雾除尘装置前过滤通常采用当前第84页\共有124页\编于星期五\18点布袋式过滤器85当前第85页\共有124页\编于星期五\18点填料式粗过滤器一般用油浸铁回丝、玻璃纤维或其他合成纤维等作填料，过滤效果比布袋过滤稍好，阻力损失也较小，但结构较复杂，占地面积也较大，内部填料经常洗换才能保持一定的过滤作用，操作比较麻烦。当前第86页\共有124页\编于星期五\18点油浴洗涤装置

在空气进人装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而被除去，经过油浴的空气因带有油雾，需要经过百叶窗式的圆盘，分离较大粒油雾，再经过滤网分离小颗粒油雾后，才能吸入压缩机。87当前第87页\共有124页\编于星期五\18点水雾除尘装置空气从设备底部进入，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附沉降，从器底排出。88当前第88页\共有124页\编于星期五\18点粒子0.5μm1μm5μm去除率%50~7055~8890~9989当前第89页\共有124页\编于星期五\18点3、空气压缩机供给发酵用的无菌空气，为了克服过滤介质阻力、发酵液静压力和管道阻力，故一般使用空气压缩机输送。空压机有两种涡轮式和往复式当前第90页\共有124页\编于星期五\18点4、空气贮罐

结构较简单，装有安全阀、压力表的空罐壳体。作用：储气消除压缩机排出空气的脉动，维持稳定的空气压力；利用重力沉降作用使大的油滴和水滴沉降下来；利用压缩机热量热灭菌。贮罐紧接着压缩机其后，对设备防腐、冷却器热交换都有利。

当前第91页\共有124页\编于星期五\18点5、空气冷却器空气经压缩，出口处的压力一般在0.2Mpa以上；温度会显著升高，压缩比愈高，温度也愈高，含湿量愈大。往复式空气压缩机出口空气温度达120℃，而涡轮式压缩机出口空气温度达150℃，能起到一定的灭菌作用。当前第92页\共有124页\编于星期五\18点但目前生产中应用的过滤介质难以耐受这样高的温度，①会引起过滤介质的炭化或燃烧；②增大培养装置的降温负荷，给培养过程温度的控制带来困难；③高温空气还会增加培养液水分的蒸发，对微生物的生长和生物合成都是不利的；④在潮湿地域和季节，空气中含水量较高，为了避免过滤介质受潮而失效，冷却还可以达到降湿的目的。当前第93页\共有124页\编于星期五\18点冷却的设备列管式热交换器沉浸式热交换器喷淋式热交换器当前第94页\共有124页\编于星期五\18点列管式空气冷却器95当前第95页\共有124页\编于星期五\18点6、气液分离器/油水分离器冷凝水和油雾黏附在纤维表面，可能成为微生物微穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质,使过滤介质失效，失去除菌作用。当前第96页\共有124页\编于星期五\18点一般采用油水分离器与除沫器相结合的方法除尘、除油、除水。50μm以上的液滴用旋风分离器除掉，5μm以上的液滴用丝网除沫器捕捉。近年生产中使用的无油润滑空气压缩机(如透平式、螺旋杆式)免除了油对压缩空气的污染，但空气中的水分仍需冷却除掉，否则也会影响过滤介质的除菌效率。当前第97页\共有124页\编于星期五\18点旋风分离器：利用离心力进行沉降水和油滴；介质过滤器：利用惯性进行拦截水和油滴。当前第98页\共有124页\编于星期五\18点特点：结构简单，制造方便；对分离10m以上的微粒效率较高，但对10m以下的微粒比较困难。旋风分离器工作原理当前第99页\共有124页\编于星期五\18点内部填料可拆换或清洗，使用寿命长。对1μm以上的雾滴除去率98%。丝网介质分离器原理：当前第100页\共有124页\编于星期五\18点7、空气的加热一般采用列管式换热器或套管式加热器，以降低空气相对湿度(要求在60%以下)，保证过滤介质不致受潮失效。当前第101页\共有124页\编于星期五\18点8、空气除菌加热后的空气进入空气过滤器(介质多为棉花活性炭或玻璃纤维)进行除菌。总空气过滤器一般用2台，交替使用。每个发酵罐前还需单独配备分过滤器。

当前第102页\共有124页\编于星期五\18点四、空气过滤器类型空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。其方法有：辐射杀菌、加热杀菌、化学药物杀菌静电吸附介质过滤除菌杀菌除菌生物加工过程所需的无菌空气要求高，用量大，要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。当前第103页\共有124页\编于星期五\18点1、棉花活性炭过滤器

为圆筒形，过滤介质由上下两层棉花和中间一层颗粒活性炭组成，由两层多孔筛板将过滤介质压紧并加以固定。孔板金属丝网麻布织品麻布织品麻布织品麻布织品金属丝网孔板用作总空气过滤器当前第104页\共有124页\编于星期五\18点棉花常用未经脱脂的，压紧后仍有弹性，纤维长度适中(约2~3cm)。棉花的纤维直径约为16~20μm，实密度(或称真密度)为1520kg/m3，通常过滤器内棉化的填充密度为130~150kg/m3，故其填充系数为8.5%~10%。为了使棉花填放平整，可先将棉花弹成比过滤器圆筒稍大的棉垫后再放入过滤器内。当前第105页\共有124页\编于星期五\18点常用的颗粒状活性炭是小圆柱体，大小为小3mm×(10~15)mm，密度为1140kg/m3，填充密度为(500±30)kg/m3，故填充系数为44%左右。过滤器用的活性炭应质地坚硬，不易被压碎，颗粒均一，装填时细粒及粉末要筛去。介质层的高度与纤维性质、直径、填充密度、气流速度和过滤器持续使用时间有关。装填过滤器时，介质层总高度约为0.3~1.0m，棉花层:活性炭层:棉花层高度比=1:(1~2):1。当前第106页\共有124页\编于星期五\18点通过过滤器的气流速度(以压缩空气通过过滤器筒身的截面积为基准)一般为0.2~0.3m/s。空气一般从下部圆筒切线方向通入，从上部圆筒切线方向排出，以减少阻力损失。出口不宜安装在顶盖上，以免检修时拆装管道困难。107当前第107页\共有124页\编于星期五\18点优点：棉花活性炭过滤器设备简单，填充层厚，吸收油水能力强，过滤效果可靠，使用周期长；一般作为空气总过滤器用。缺点：体积大，但更换介质时劳动强度大；如填装不匀，容易造成空气短路，甚至介质被吹翻，使过滤器失效；此外，压降也较大，介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气。当前第108页\共有124页\编于星期五\18点过滤器失效压缩空气进入过滤器后便引起活性炭颗粒之间相互顶撞与摩擦，久而成为粉末(灰化)，活性炭的体积也逐渐变小，于是过滤器内的空间逐渐增大，到达一定程度时，便会发生棉花吹翻现象。这样空气便会未经过滤而进入罐内，引起染菌。棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近过滤器壁的棉花，因经受夹层蒸汽的烤干，受热更为剧烈，更容易变成粉末，而被空气带走，造成过滤层有缝隙，使过滤层疏松而漏风。甚至还因过高的压力和过长时间的烘烤而引起棉花活性炭着火的事故。当前第109页\共有124页\编于星期五\18点2、平板式超细纤维过滤器

过滤时，空气从筒身中部切线方向进入，空气中的水雾、油雾沉于筒底，由排污管排出，空气通过下孔板经超细纤维滤纸过滤后，从上孔板进入顶盖经排气孔排出。110当前第110页\共有124页\编于星期五\18点过滤介质-超细纤维滤纸由玻璃纤维制成：纤维直径1.0~1.2μm，孔径约为1.0~1.5μm，厚约0.25~0.40mm，实密度为2600kg/m3，填充密度为384kg/m3，故填充率为14.8%。当前第111页\共有124页\编于星期五\18点安装时，通常以3~6张滤纸叠合在一起，为了使滤纸能平整地置于过滤器内，能经受灭菌时蒸汽的冲击和使用时空气的冲击，在过滤器筒身和顶盖的法兰间夹有两块相互契合的多孔板(板上开有很多φ8mm的小孔，开孔面积约占板面积的40%左右)以夹住滤纸，在滤纸上下两面分别铺上细铜丝网和麻布用以保护，同时垫以橡皮垫，再用法兰盘压紧，以保证过滤器的严密。当前第112页\共有124页\编于星期五\18点滤纸常用酚